浅谈抗滑桩结构的土拱效应及其数值模拟

段鹏

【摘要】通过抗滑桩结构的力学分析，建立了抗滑桩结构的有限差分模型。计算结果表明，当桩距适宜的时候，桩后土体将产生土拱效应。分析了土拱产生的机理和产生的条件，对抗滑桩间距的设计有一定的参考价值。

【关键词】土力学，抗滑桩，有限差分法，土拱，机理

1 前 言

20 世纪 60 年代初，在宝成铁路史家坝 4 号隧道滑坡和川黔线楚米铺滑坡的整治工程中抗滑桩已具雏形，经过近 40 a 的生产实践，抗滑桩在滑坡整治工程中得到了广泛的应用和发展，新技术、新工艺也不断涌现，先后出现了刚架桩、∏型桩、H 型桩、椅式桩墙和锚杆或预应力锚索桩等等。与抗滑挡墙和支撑渗沟等抗滑结构相比，抗滑桩具有工程量少、投资少、施工方便迅速、对边坡的扰动破坏小等优点，并且由于桩身截面大，可埋入深度长，结构受力比较合理，可以抵抗巨大的滑坡推力，也可和其他边坡治理措施配合使用，对整治处在缓慢滑动阶段的滑坡特别有利。

一、土拱效应的形成机理

在 1884 年，英国学者 Robert 首次发现了“粮仓效应”，即在粮仓储存的粮食时，当粮食堆积达到一定高度后，粮仓底面所受的最大压力值将保持一个恒定值，随着粮食堆积高度的增加，粮食与粮仓墙体间的压力不断增大，与此同时，也会导致它们之间的摩擦力也不断变大。在摩擦力的作用下，大主应力开始转向并慢慢指向墙体。同时粮食的部分重力也通过摩擦力转移到了墙体上。

Terzaghi 1943 年，通过著名的活动门试验证实了土拱效应的存在。活动板向下移动的同时，土体产生不均匀位移，滑动面上出现剪应力，引起了应力重新分布，将作用于拱上的土压力转移到周围土体或拱脚。通过“粮仓效应”和“活动门试验”中土拱效应的分析可知：“土拱”与拱桥、穹顶结构、拱坝等拱形结构中可看到的拱形有所不同。实际工程中的拱形结构是在先确定了外部荷载形式及大小等条件下，然后根据拱的受力特点进行分析并合理设计，从而达到安全、经济、合理的目的。土拱的形成是由于土体在受到外力的作用后产生了不均匀变形，进而使土体本身的抗剪强度发挥作用，从而起到抵抗外力的作用。抗滑桩并不直接承受外荷载作用，是一种被动的受力机构，因此抗滑桩属于一种被动桩。当桩周土体在自重或外荷载作用下发生相对于桩身的滑动时，受到桩体不同程度的约束，产生不均匀位移，由于土体内存在由摩擦力和粘聚力组成的一定的抗剪强度，自然形成以相邻两桩为拱脚的土拱在进行基本模型分析时，桩径为 1m，桩间距为 3m，抗滑桩长度为 10m。为了在不同条件下进行对比分析，对其中的部分数据做了一些改动，其它的基本算例均采用基本模型。

四、土体性质对土拱效应的影响

1.土体内摩擦角的影响

在基本算例中其他参数不变的情况下，对土体内摩擦角=10，18，25情况分别计算，对指定节点追踪其应力和位移，得出桩中轴线上y方向应力曲线和桩的荷载分担比.随着内摩擦角的增大，桩中轴线上的应力变小，即通过土拱传递到抗滑桩上的应力越多，说明桩后土拱效应越明显。随着内摩擦角的增大，桩的荷载分担比增大。

五、结论

（1）抗滑桩后存在土拱效应，并且土体通过产生土拱效应将桩后土体应力转移到抗滑桩上，这就解释了抗滑桩作为一种非连续结构还能起到较好的支挡作用

（2）在抗滑桩离滑动面越近的地方土拱效应现象越明显，即转移到抗滑桩上的应力越多，桩所受到的滑坡下滑推力越大，因此，在抗滑桩上靠近滑动面的位置可以考虑用增加配筋率来增强抗滑桩的强度；

（3）随着桩间距的增大，桩后土拱效应越来弱，桩前土体挤出现象越明显，当桩间距大于 8 倍桩径时，桩后土拱效应基本消失；

（4）边坡内土体的内聚力及内摩擦角越大，转移到抗滑桩的上的应力比越大，在 c值较大的土中应当设置桩径和桩间距都较大的抗滑桩；反之，在 c值较小的土体中应当设置桩径和桩间距均较小的抗滑桩。

六、建议

本文只能對抗滑桩的大小以及在抗滑桩不同深度处进行不同配筋加固等方面进行定性的研究，并没有做出定量的研究，以后学者们可以定量对这些方面进行研究。

参考文献

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